一种15.9级免退火热轧高碳含钒冷镦钢盘条及其制造方法与流程

本发明属于热轧冷镦钢盘条，具体涉及一种15.9级免退火热轧高碳含钒冷镦钢盘条及其制造方法。

背景技术：

1、螺栓、螺钉等紧固件作为最适用、最基础的机械连接部件，应用领域极为广泛，近年来，随着新能源汽车的快速发展，更高强度等级的紧固件有利于降低车身重量，提升新能源车的续航里程，因此也提高了对紧固件用原材料冷镦钢盘条的性能需求。目前，现有紧固件强度等级以10.9~12.9级为主，采用中低碳合金化成分体系进行生产制造，更高强度等级紧固件则需添加更多强化合金元素进行研发制造，例如：

2、专利cn114058974b公开的一种15 .9级耐腐蚀高强度螺栓用钢及其生产方法和热处理方法，采用c-si-mn-cr-mo-v-nb-ti-b-ni-cu-al成分设计，结合方坯轧制后用高温加热粗、中轧、低温减定径后上冷床缓冷进行优棒轧制，获得珠光体+铁素体，无贝氏体、马氏体等硬相组织的热轧态组织，进一步通过再加热进行形变热处理和高频回火热处理来获得回火索氏体+弥散碳化物组织，但一、材料中含有较高含量的si、cr、mo，还含有v、nb、ti等多种微合金成分，v的合金含量较高，带来材料成本的显著增加，以降低材料成本为目的，省却合金成分或减少合金含量则会带来钢材强度损失，在后续调质加工中难以达到15.9级性能等级；二、高合金化成分体系带来淬透性增加，加剧轧制后冷却过程中析出恶化拉拔性能的马氏体、贝氏体等异常组织的风险，会导致盘条集卷、运输或放卷过程中的脆断，引起成材率下降，为降低异常组织析出风险，采用圆钢制造来避免集卷脆断，但无法直接通过高线轧制获得直径较小的盘条，对生产小规格紧固件不利，采用控轧控冷后再离线热处理来优化组织，则带来工序、成本的增大，影响生产效率；三、更多强化合金元素的添加对材料的塑性及冷加工性能有很大削弱，在紧固件制造时的拉拔冷镦前需要通过多次球化退火工序来改善冷加工性能，与此同时带来紧固件制造工序、排放、能耗和成本增大的问题，甚至无法通过退火来达到塑性要求，引起加工开裂，因此为省却退火工序，给对应15.9级紧固件用热轧冷镦钢盘条的开发带来更大挑战。

3、碳元素作为紧固件用钢获得高强度所必需且较为经济的元素，替换合金元素有利于降低钢材成本，但现有技术中的用高碳钢主要通过增加组织中的索氏体含量来提高拉拔性能，用于帘线、桥索等领域，其难以应用于冷镦钢盘条制造的技术难点和成因在于：一、随着碳含量的增加，受限于轧制吐丝后的斯太尔摩风冷控冷手段，增大冷速后会加剧盘条温差，加剧了异常组织析出而增大盘条脆性、盘条塑性下降过快的风险，现有高碳钢会采用低速或保温冷却来降低低温组织析出风险、延长盘条在索氏体相区的时间来增大索氏体占比，但低速冷却下会使得盘条停留在二次渗碳体的析出区间时间进一步延长，产生严重网状碳化物而影响组织均匀性，特别是显著劣化塑韧性性能，引起开裂风险，更无法达到免退火需求；二、碳含量的增加增大了塑性提升难度，吐丝后直接采用低速或保温冷却，难以产生较大过冷度，所得索氏体片层较粗，材料中增加mn等提强元素后，c的活度被抑制，使得扩散减慢，渗碳体析出变粗，软化难度增大，同时盘条在持续冷却过程中，经过索氏体孕育后已处于低温状态，驱动力不足，最终无法软化，所得组织位错密度较高，引起拉拔硬化或冷镦开裂，更无法达到免退火需求；三、虽然有的免退火冷镦钢盘条采用增大组织中的铁素体含量来提高盘条塑性，但会过分劣化盘条强度，通过大减面拉拔来提强制造螺栓过程中，塑性损失较大，会加剧冷镦开裂风险；四、虽然为了利用微合金的晶粒细化和析出强化作用，来提高盘条综合性能而加入v元素，但在吐丝后的低速或保温持续冷却过程中析出相的驱动力较小，难以析出或析出粗化造成v的利用率下降，导致强化作用损失，或需增加v用量而带来成本压力。

技术实现思路

1、本发明旨在至少在一定程度上解决上述技术问题之一，本发明提供一种15.9级免退火热轧高碳含钒冷镦钢盘条及其制造方法，能够提高碳与矾的利用价值，降低材料成本，实现盘条组织调控和强塑性匹配，特别是显著提高盘条塑性，能用于省却退火工序下制造15.9级紧固件，降低开裂风险，提高成材率和制造效率。

2、本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

3、一种15.9级免退火热轧高碳含钒冷镦钢盘条，所述冷镦钢盘条的化学成分及质量百分比包括：c：0.86％~0.90％、si：0.70％~0.82％、mn：0.50％~0.70％、v：0.03％~0.05%、p≤0.015％、s≤0.015％，其余为fe和不可避免杂质，其显微组织包括体积百分比占55%~65%的回火珠光体、体积百分比占34%~40%的回火索氏体、其余为准球化碳化物所组成的混合组织。

4、上述冷镦钢高碳碳素盘条的化学成分及质量百分比设计依据包括：

5、（1）碳：c元素作为碳元素作为固溶强化和析出强化作用最为经济有效的元素，为本发明主要添加元素，用于保证盘条调质后能达到15.9级紧固件的抗拉强度和屈服强度，同时作为奥氏体形成元素，可以扩大奥氏体相区，抑制铁素体的形成，但也增加了脱碳敏感性和渗碳体沿晶界呈网状分布风险，且c元素含量过高，在中温区间所得组织片层较厚，会加剧盘条软化难度，对基体组织调控不利，因此基于材料成本考虑、便于组织调控、保证免退火下冷镦钢盘条冷变形性能以及满足15.9级螺栓的最终性能等级需求，c的质量百分比控制为0.86％~0.90％。

6、（2）硅：si元素是冶炼过程中主要的脱氧元素，能提高冷镦钢的抗拉强度、屈服强度和硬度，同时提高si含量可以在线盐浴强回火中提高c活度，抑制渗碳体析出，使得渗碳体变薄，降低碳化物在高温熔盐等温过程中向球化组织转变的难度，便于组织软化，提高盘条塑性，且si相较于可以起到抑制渗碳体析出作用的mo元素价格更低，有利于控制成本，但硅过量会增加脆性夹杂和表面脱碳敏感性，在冷镦变形时引起冷镦开裂，si作为铁素体的形成元素，过高对珠光体相变过程中抑制铁素体析出控制不利，因此si的质量百分比控制为0.70％~0.82％。

7、（3）锰：mn元素在钢中常作为脱氧剂，mn和fe形成固溶体，可提高钢的强度和淬透性，同时作为奥氏体形成元素，可以扩大奥氏体相区，抑制铁素体的形成，在钢中可以起到细化珠光体的作用，但mn含量过高会加剧钢坯凝固过程中的偏析，降低碳的活度使碳的扩散速度下降，对碳化物球化不利，增加钢的过热敏感性及异常组织风险，mn过高也会带来材料成本的增加，因此mn的质量百分比控制为0.50％~0.70％。

8、（4）矾：v元素作为微合金化元素，能促进珠光体的形成，抑制贝氏体的形成，v的固溶温度较nb更低，经过在线盐浴强回火阶段的中温区间弥散析出，可以阻止盘条晶粒长大，极大提升材料的强度和抗氢脆性能，但v的价格较高，过量添加对控制冷镦钢盘条成本不利且有粗化风险，因此基于v元素的作用和成本考虑，v的质量百分比控制为0.03％~0.05%。

9、（5）磷、硫：p元素和s元素属于杂质元素，越低越好，因此控制p≤0.015％、s≤0.015％。

10、上述冷镦钢盘条采用c-si-mn-v的高碳含矾成分设计，用c替代cr、ni、nb、b、mo等合金成分的加入，si、mn、v相对现有15.9级紧固件用钢更少，能够有效降低材料成本，并材料强化成分体系和淬透性，保证调质后能达到最终性能等级，显微组织包括大部分回火珠光体、少部分回火索氏体及少量准球化碳化物，配合奥氏体形成元素c、mn扩大奥氏体相区，抑制铁素体析出，珠光体的片层间距较索氏体更大、塑性较索氏体更高、强度较铁素体更好，珠光体经过回火转变为回火珠光体，回火珠光体可以保留珠光体强度适中的特性，进一步改善组织应力和位错密度，索氏体的片层间距较珠光体更小、强度较珠光体更高、塑性较贝氏体和马氏体更好，索氏体经过回火转变为回火索氏体后，回火索氏体可以保留索氏体强度更好的特点，进一步降低索氏体的位错密度，配合si提高c活度和抑制渗碳体析出，使珠光体和索氏体中的碳化物更易转变为准球化碳化物，v的碳化物弥散析出后，可以均匀分布在塑性基体上。

11、故相较于现有以珠光体+铁素体组成的低中碳热轧态冷镦钢组织，所述冷镦钢盘条能够通过回火珠光体与回火索氏体组织调控，配合碳的固溶强化和矾的析出强化获得更高的基体强度，弥补省却合金和降低合金含量带来的强度损失，相较于现有高索氏体化率的高碳钢盘条，所述冷镦钢盘条通过回火组织状态调控，可以得到明显软化的基体组织，在不过分劣化盘条强度的基础上显著提高盘条塑性，相较于含贝氏体的热轧态冷镦钢盘条，可以有效避免集卷脆断，也更适用于制造15.9级紧固件省却退火工序时，避免拉拔断丝和冷镦开裂。

12、所述回火珠光体与回火索氏体的片层间距越细，则盘条强度上升、塑性下降，但片层间距过粗对拉拔冷镦不利，在优选的实施例中，所述回火珠光体的片层间距为160~200nm，所述回火索氏体的片层间距为70~110nm。

13、在优选的实施例中，所述冷镦钢盘条的网状碳化物为0级，可以有效抑制网状碳化物影响，提升碳元素的强化作用。

14、在优选的实施例中，所述冷镦钢盘条的直径为8.0~15.0mm，抗拉强度为1320~1370mpa，断面收缩率为45%~50%，相较于圆钢制造，直径较小的冷镦钢盘条更方便规格较小的紧固件制造，盘条具有较高的抗拉强度，不需要深拉拔提强即可接近15.9级性能等级，避免拉拔冷镦过程中过度损失盘条塑性而引起开裂风险，盘条具有显著提高的塑性，表现为较高的断面收缩率，可以省却紧固件制造过程中的退火工序，通过拉拔、冷镦和调质处理制造15.9级紧固件，简化制造工艺。

15、一种15.9级免退火热轧高碳含钒冷镦钢盘条的制造方法，按上述任意一项所述15.9级免退火热轧高碳含钒冷镦钢盘条的化学成分轧制生产线材，线材按≥940℃的吐丝温度吐丝为盘条后，进行在线盐浴强回火，使盘条先经过前段熔盐处理，盘条以≥41℃/s的冷速降温至索氏体相区，盘条中部分奥氏体组织转变为索氏体组织，再经过后段熔盐升温至珠光体相区进行等温处理，促进盘条中未转变的奥氏体组织转变为珠光体组织，同时促进回火软化及含钒碳化物析出，最后经过辊道缓冷，制为显微组织包括体积百分比占55%~65%的回火珠光体、体积百分比占34%~40%的回火索氏体、其余为准球化碳化物所组成混合组织的冷镦钢盘条。

16、上述制造方法选用较高的吐丝温度，一方面，能够避免吐丝阶段析出二次渗碳体，用于控制网碳，另一方面，对随后的在线盐浴强回火中形成较大过冷度和索氏体形核有利，吐丝后直接进行在线盐浴强回火，盘条先经过温度较后段熔盐温度更低的前段熔盐，一方面，相较于现有吐丝后低速冷却、保温冷却甚至强风冷控制，能够利用熔盐的高换热能力，使盘条快速降温，有效缩短在网碳区域的停留时间，进而避免网状碳化物对高碳成分带来的不利影响，提高碳的利用价值；另一方面，能够快速略过铁素体析出区间，形成较大过冷度，进入索氏体相区，促进盘条中的高温奥氏体组织部分转变为索氏体，调控盘条基体的索氏体组织含量，同时相较于风冷冷速增大后会由于盘条温差引起异常组织析出，盘条经过熔盐时熔盐能包裹盘条表面均匀传热，不存在受风面与背风面的温差问题，能够降低力学性能波动，避免异常组织析出，为后续回火调控作组织上的准备。

17、盘条再经过后段熔盐的升温调控，一方面，相较于现有吐丝后保温等连续降温工艺，能够升温至珠光体相区，促进盘条中未转变的组织转变为片层间距较索氏体更大的珠光体组织，能够配合奥氏体形成元素c、mn等抑制铁素体析出，调控基体强度与塑性；另一方面，能够保持盘条与熔盐温度一致，使盘条在珠光体相区进行更长时间的高温等温处理，而非持续降温，配合si提高c活度和抑制渗碳体析出，使得形成的索氏体组织和珠光体组织回火软化、其中的碳化物向球化组织转变，软化基体，可以降低组织应力和位错密度，使裂纹不易萌生和传播，同时处于含v碳化物的析出温度区间，在长时间作用下，驱动力更大，可以在基体内部形核，形成大量细小的相间析出，提高v的弥散强化利用价值，有效提升材料的强度和抗氢脆性能，由于进行充分的组织转变，也能够避免后续辊道缓冷过程中产生异常组织。

18、盘条最后经过辊道缓冷时，能够利用盘条经过后段熔盐的高温状态，进一步软化基体，实现最终组织调控和盘条强塑性匹配，由于能够避免集卷脆断，能够直接通过高线轧制获得规格较小的盘条，较圆钢制造能够省却开坯锻造等工序，由于直接获得较高塑性的盘条，能够省却集卷后的离线热处理工序，进而简化工序，提高制造效率和成材率。

19、选用较高的加热炉温度、较长的在炉时间促进轧制前的钢坯成分均匀，并避免时间过长引起脱碳风险，在优选的实施例中，所述轧制前控制加热炉温度为1050~1100℃，在炉时间为3~5h。

20、由于选用较高的吐丝温度，可以打破低温吐丝对低温轧制的限制，选用较高的轧制温度来提高轧制效率、降低钢坯的形变抗力和对轧制线的磨损，故可以选择较高的初轧温度开始轧制，配合较大的初轧压下量细化原始奥氏体晶粒，在优选的实施例中，所述轧制时，控制初轧温度为1030~1080℃，初轧压下量为28%~35%。

21、在优选的实施例中，所述轧制时，重载精轧温度≥960℃，精轧压下量为8%~18%，选用较大的精轧压下量，促进钢在奥氏体中发生再结晶，使线材晶粒细化，强韧化基体。

22、在优选的实施例中，所述前段熔盐的熔盐温度为520~550℃，处理时间为30~40s，前段熔盐的熔盐温度越低，处理时间越长，则形成较大的过冷度，索氏体片层间距越细、索氏体转化越多，回火索氏体占比提高，盘条强度上升、塑性下降，但熔盐温度过低，索氏体片层过细，甚至出现贝氏体组织的风险，会显著影响盘条塑性；反之熔盐温度越高，处理时间越短，则索氏体片层间距变粗、回火索氏体占比下降，盘条强度下降、塑性上升，但熔盐温度过高，对控制网状碳化物和索氏体形核不利，因此可以进一步调控前段熔盐的熔盐温度和处理时间，为后段熔盐处理作组织准备。

23、在优选的实施例中，所述前段熔盐的熔盐循环量为50~150t/h，控制熔盐温升≤12℃，可以控制盘条经过前段熔盐的处理精度，避免出现异常组织。

24、在优选的实施例中，所述后段熔盐的熔盐温度为580~620℃，处理时间为550~800s，后段熔盐的熔盐温度越低，则形成的珠光体片层间距越小，能给含矾碳化物的析出提供更多动力，形成较细的相间析出，盘条强度上升、塑性下降，但熔盐温度过低，对珠光体相变、回火珠光体占比、基体塑性调控不利，对含矾碳化物在中温区间的析出不利；反之熔盐温度越高，则形成的珠光体片层间距越粗，能给高温等温回火球化和软化提供更多动力，使盘条强度下降、塑性上升，但熔盐温度过高，珠光体片层过粗，甚至铁素体析出，对基体强度不利；后段熔盐的处理时间越长，则软化效果越好，但处理时间过长，带来能耗和成本增加、效率损失的问题，同时有含矾碳化物的析出粗化和准球化碳化物团聚的风险，对盘条强塑性均不利；反之处理时间越短，则球化和软化效果较差，盘条强度上升、塑性下降，但处理时间过短，盘条未软化，甚至未充分向珠光体转变、含矾碳化物来不及大量弥散析出，有异常组织析出风险，对盘条的强塑性能调控均不利，因此可以进一步调控后段熔盐的熔盐温度和处理时间，调控盘条的强塑性能匹配。

25、由于前段熔盐与后段熔盐的温差较小，可以适当降低熔盐循环量，在保持处理精度的基础上降低能耗，在优选的实施例中，所述后段熔盐的熔盐循环量为30~80t/h，控制熔盐温升≤8℃。

26、在优选的实施例中，所述辊道缓冷控制盘条以2~5℃/s的冷却速度冷却至500℃以下，可以利用盘条出熔盐后的高温状态，以稍高的冷却速度避免含矾碳化物析出粗化，加快生产节奏，避免冷速过低引起在线时间过长，之后控制盘条以0.3~0.7℃/s的冷却速度冷却，可以进一步降低冷却速度进行缓冷，促进盘条组织的进一步软化，直至集卷。

27、在优选的实施例中，所述辊道缓冷时，在盘条冷却至500℃以下后，关闭保温罩，可以先利用盘条自身热度缓慢冷却，控制盘条以2~5℃/s的冷却速度冷却，再关闭保温罩降低盘条冷却速度，控制盘条以0.3~0.7℃/s的冷却速度冷却，进行盘条的进一步软化和便于集卷站快速集卷。

28、与现有技术相比，本发明的有益效果至少在于：

29、（1）针对更高强度等级紧固件用线材冷镦钢母材，因更多强化合金元素的添加对材料的塑性及冷加工性能有很大削弱，材料成本较高的现状，本发明的冷镦钢盘条采用c-si-mn-v的高碳含矾成分设计，能够有效降低材料成本，显微组织包括大部分回火珠光体、少部分回火索氏体及少量准球化碳化物，配合碳的固溶强化和矾的析出强化获得更高的基体强度，通过回火组织状态调控，使准球化碳化物可以均匀分布在塑性基体上，进一步降低组织应力和位错密度，实现盘条组织调控和强塑性匹配，特别是显著提高盘条塑性，达到抗拉强度为1320~1370mpa，断面收缩率为45%~50%，能用于省却退火工序下制造15.9级螺栓等紧固件，降低开裂风险，提高成材率，具有良好的市场应用前景。

30、（2）针对紧固件用线材冷镦钢母材生产控冷手段有限，难以调控热轧盘条组织性能或工序较多的现状，本发明的制造方法采用高c-si-mn-v成分设计、结合在线盐浴强回火和辊道缓冷技术工艺设计，较高的吐丝温度可以提高盘条在随后在线盐浴强回火处理中的过冷度、并有效缩短在网碳区域的停留时间，用前段熔盐调控盘条基体索氏体组织含量，用升温的后段熔盐，促进盘条未转变的组织转变为珠光体组织，并促进盘条组织进行高温回火软化和含钒碳化物析出，以保证盘条的强塑性匹配，调控热轧态冷镦钢盘条的组织性能，能够省却集卷后的离线热处理工序，进而简化工序，提高制造效率和成材率，具有良好工业适应性。

31、（3）本发明的制造方法可以打破低温吐丝对低温轧制的限制，选用较高的轧制温度来提高轧制效率、降低钢坯对轧制线的磨损，辊道缓冷可以采用先空冷稍提高冷却速度，再保温冷却降低冷却速度，进行盘条的进一步软化和便于集卷站快速集卷，有利于提高制造效率，具有良好工业适应性。